JP6998634B1 - ダイヤモンド形成用構造体、およびダイヤモンド形成用構造体の製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド形成用構造体、およびダイヤモンド形成用構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高品質の単結晶ダイヤモンドを形成するためのダイヤモンド形成用構造体、およびその構造体の製造方法を提供する。【解決手段】ダイヤモンド形成用構造体１０は、ベース基板１１と、ベース基板１１上に形成されたＩｒ薄膜１２とで構成されている。ベース基板１１の熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張係数の５倍以下であり、かつベース基板１１の融点が７００℃以上である。Ｉｒ薄膜１２のＸ線回折パターンにおけるピークの角度は、ベース基板１１のＸ線回折パターンにおけるピークの角度とは異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、大型のダイヤモンドをエピタキシャル成長させることができるダイヤモンド形成用構造体、およびダイヤモンド形成用構造体の製造方法に関する。特に、化学気相蒸着（以下、単に、「ＣＶＤ」と称する。）によりダイヤモンドを形成するための構造体に関する。
従来から、ダイヤモンドを成長させるための種々の手法が存在する。近年ではＣＶＤダイヤモンドの大型化が要求されており、中でもヘテロエピタキシャル成長法が注目されている。この成長法は、大径のダイヤモンドを成長させることが可能な下地基材が存在すれば、この下地基材と同等サイズの単結晶ダイヤモンドが成長可能とされる方式である。
ヘテロエピタキシャル成長法においては、ダイヤモンドの成膜を可能にする下地基材構造の研究が長年実施されてきた。その結果、単結晶Ｉｒを下地基材とし、その上に単結晶ダイヤモンドを成長させることが可能になった。
しかし、大径のダイヤモンドを成膜する場合には大径の単結晶Ｉｒを入手する必要があるが、大径の単結晶Ｉｒを入手することは事実上不可能である。このため、実際のプロセスでは下地基材上にＩｒ薄膜をエピタキシャル成長させる必要がある。また、大径のダイヤモンドは高価であるため、低価格化も大きな課題である。そこで、Ｉｒ薄膜を成膜するための下地基材の検討が進められてきた。下地基材に求められる主な条件は次の３点である。
１点目：高品質なダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長が可能な一定水準の結晶品質を有するＩｒ薄膜を形成することができること
２点目：下地基材とダイヤモンドとの熱膨張係数差が可能な限り小さいこと
３点目：温度やガス雰囲気などのダイヤモンド成長環境において亀裂などが入らず耐えられること
これらの３条件を鑑みると、下地基材としてはＭｇＯ、サファイア、Ｓｉが挙げられる。
しかしながら、これらの下地基材が必ずしも前記３条件を満たしているわけではない。ＭｇＯおよびサファイアは、１点目および３点目の条件を満たし、この基材上のＩｒ薄膜上には高品質なダイヤモンドを得ることができる。しかし、ＭｇＯの熱膨張係数は１３．１×１０－６／℃程度であり、サファイアの熱膨張係数は７．７×１０－６／℃程度であるのに対して、ダイヤモンドの熱膨張係数は１．１×１０－６／℃程度である。このように、これらの下地基材とダイヤモンドとの熱膨張係数差は大きく、形成されたダイヤモンドは成膜時に加わる熱応力に耐え切れずにクラックが入るため、ダイヤモンドの大型化は困難である。クラックを抑制するためにいくつかの成長テクニックアプローチが報告されているが、ＭｇＯやサファイアのように、ダイヤモンドとの熱膨張係数差が大きい下地基材を用いている限り、本質的な問題の解決には至らない。Ｉｒ薄膜のクラックを抑制するためにＩｒ薄膜の膜厚を厚くすることも考えられるが、このような厚膜化はコストが高く多くの製造時間を費やしてしまうため、避けるべきである。
一方、Ｓｉの熱膨張係数は２．４×１０－６／℃程度でありダイヤモンドの熱膨張係数に近く、且つダイヤモンドの成長環境に耐え得るため、２点目および３点目の条件を満たす。しかし、Ｓｉ上に成膜されたＩｒ薄膜は品質が良好ではなく、その上にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができないため、３点目の条件を満たさない。そこで、Ｓｉに中間層を形成し、中間層の上にＩｒ膜を形成する構造体が検討されている。
例えば特許文献１には、単結晶Ｓｉ等にグラファイトを形成し、グラファイトの上にＩｒ膜を形成する単結晶ダイヤモンド形成用の基材が開示されている。同文献には、単結晶Ｓｉ等の上にグラファイト層を設けることによって、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さくすることができる、とされている。
特開２０１２－００１３９４号
しかし、特許文献１に記載されている単結晶ダイヤモンド形成用の基材は、中間層がグラファイトであり安価に成膜することができるとしても、製造工程が複雑になるためにコストを抑えることができない。また、Ｉｒ薄膜がグラファイト上にヘテロエピタキシャル成長するため、Ｉｒ薄膜の品質がグラファイトに依存してしまう。さらに、単結晶ダイヤモンドにグラファイトが混入する懸念がある。
このように、従来の構成ではＩｒ薄膜が劣化する可能性が高くなってしまい、ひいてはダイヤモンドの品質に影響を及ぼすことになりかねない。高品質の単結晶ダイヤモンドを得るためには更なる検討が必要である。
そこで、本発明の課題は、高品質の単結晶ダイヤモンドを形成するためのダイヤモンド形成用構造体、およびダイヤモンド形成用構造体の製造方法を提供することである。
本発明者らは、安価な構造体を得るため、薄いＩｒ薄膜を用いてダイヤモンドを成長させる検討を行った。また、Ｉｒ薄膜を形成するための下地基材は、前述のように、主としてＭｇＯ、サファイア、およびＳｉの３種類が挙げられるが、これらを用いる場合には各々のメリットとデメリットを鑑みなければならない。このため、下地基材の材質によらず、薄く高品質のＩｒ薄膜を用いることができるようにダイヤモンド成長プロセスを検討した。
本発明者らは、上述の３要件をすべて満足するためには、下地基材に直接Ｉｒ薄膜を成膜しないようにプロセスを変更することに着目して検討を行った。その結果、高品質のＩｒ薄膜を成膜することができるダミー基板にＩｒを成膜した後、得られたＩｒ薄膜を、ダイヤモンドとの熱膨張係数差が可能な限り小さく、且つダイヤモンド成長環境に耐えられるベース基板に転写することに思い至った。従来では、特許文献１等に記載されているように、ダイヤモンドが成長するための種基材を下地基材（以下、「ベース基板」と称する。）やグラファイトなどの中間層にヘテロエピタキシャル成長させなければ、所望のダイヤモンドを製造することができないとされていた。つまり、従来では、Ｉｒ薄膜はベース基板または中間層にヘテロエピタキシャル成長されており、Ｉｒ薄膜と、ベース基板または中間層と、には結晶構造および結晶方位に関連性が必要であるとされていた。
これに対し、本発明おける上記検討によって、Ｉｒ薄膜とベース基板の結晶構造または結晶方位に関連性がない場合であっても、高品質のダイヤモンドを形成することができる知見に基づき、Ｉｒ薄膜を転写したベース基板が完成された。換言すると、本発明によれば、Ｉｒ薄膜の結晶格子とＩｒ薄膜の直下に位置するベース基板の結晶格子において、ＸＲＤ回折パターンのピーク角度がずれている方が、むしろ、良好なダイヤモンドを形成することができるのである。これにともない、本発明のように、Ｉｒ薄膜がベース基板に転写された構成であれば中間層を設ける必要がなく、高品質のダイヤモンドを形成する知見も得られた。
これらの知見により完成された本発明は以下のとおりである。
（１）ベース基板と、ベース基板上に形成されたＩｒ薄膜とで構成されるダイヤモンド形成用構造体であって、ベース基板の熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張係数の５倍以下であり、かつベース基板の融点が７００℃以上であり、Ｉｒ薄膜のＸ線回折パターンにおけるピークの角度は、ベース基板のＸ線回折パターンにおけるピークの角度とは異なることを特徴とするダイヤモンド形成用構造体。
（２）Ｉｒ薄膜のロッキングカーブにおける（００２）面の半値幅が７００ａｒｃｓｅｃ以下である、上記（１）に記載のダイヤモンド形成用構造体。
（３）Ｉｒ薄膜の膜厚は１μｍ以下である、上記（１）または上記（２）に記載のダイヤモンド形成用構造体。
（４）ベース基板は、Ｓｉまたはダイヤモンドである、上記（１）～上記（３）のいずれか１項に記載のダイヤモンド形成用構造体。
（５）上記（１）～上記（４）のいずれか１項に記載のダイヤモンド形成用構造体の製造方法であって、７００℃以上の融点を有するダミー基板にＩｒ薄膜を成膜するＩｒ成膜工程と、Ｉｒ成膜工程により成膜されたＩｒ薄膜と、事前に用意したベース基板と、が接するように、Ｉｒ薄膜が成膜されたダミー基板をベース基板に載置する載置工程と、載置工程の後にベース基板とＩｒ薄膜とを接合する接合工程と、接合工程の後にダミー基板を除去する除去工程とを備えることを特徴とするダイヤモンド形成用構造体の製造方法。
（６）ダミー基板はＭｇＯまたはサファイアである、上記（５）に記載のダイヤモンド形成用構造体の製造方法。
図１は、本発明に係る構造体の断面図である。 図２は、ベース基板にＩｒ薄膜が形成された構造体の模式図であり、図２（ａ）はＩｒ薄膜がベース基板にヘテロエピタキシャル成長された構造体の模式図であり、図２（ｂ）はベース基板にＩｒ薄膜が転写された構造体の模式図である。 図３は、本発明に係る構造体の製造方法の一例を示す工程図であり、図３（ａ）はダミー基板であるＭｇＯを示す斜視図であり、図３（ｂ）はＭｇＯにＩｒ薄膜を成膜した斜視図であり、図３（ｃ）はＩｒ薄膜が成膜されたＭｇＯをＳｉ基板に載置して接合した斜視図であり、図３（ｄ）は接合後にＭｇＯを研磨した後の構造体を示す斜視図である。 図４は、ＭｇＯ基板上に成膜したＩｒ薄膜のＸＲＤロッキングカーブを計測した結果を示す図を表し、図４（ａ）および図４（ｂ）は、各々異なる成膜条件で成膜したＩｒ薄膜の結果を示す図である。 図５は、本発明に係る構造体の製造途中でのＸＲＤ回折パターンを示す図であり、図５（ａ）および図５（ｂ）はＭｇＯを研磨により除去している最中のＸＲＤ回折パターンを示す図であり、図５（ｃ）はＭｇＯの研磨が終了した後のＸＲＤ回折パターンを示す図である。 図６は、Ｉｒ薄膜がＭｇＯ基板にヘテロエピタキシャル成長された構造体にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた場合における、ダイヤモンド、Ｉｒ、およびＭｇＯのＸＲＤ回折パターンを示す図である。
本発明を以下により詳しく説明する。
１． 構造体
（１） 構造体の基本構成
本発明に係るダイヤモンド形成用構造体は、図１に示すように、ベース基板１１と、ベース基板１１上に形成されたＩｒ薄膜１２とで構成されている。本発明のベース基板１１およびＩｒ薄膜１２について以下に詳述する。
（２） ベース基板
本発明のベース基板１１は、熱膨張係数がダイヤモンドの熱膨張係数の５倍以下であり、かつ融点が７００℃以上である必要がある。ダイヤモンドは少なくとも７００℃以上の高温状態で形成されるため、Ｉｒ薄膜１２が形成されたベース基板１１の融点は７００℃以上であることが必要である。好ましくは８００℃以上であり、より好ましくは１０００℃以上である。
また、このような高温環境下では、ベース基板１１とダイヤモンドとの熱膨張係数差が大き過ぎるとダイヤモンドを成膜した後の冷却時に反りが発生し、ダイヤモンドにクラックが入ってしまう。このため、本発明のベース基板１１の熱膨張係数は、ダイヤモンドの熱膨張係数の５倍以下である必要がある。好ましくは３倍以下である。下限は特に限定されることはないが、好ましくは０．１２５倍以上であり、より好ましくは０．２倍以上であり、更に好ましくは０．３３倍以上である。
これらの条件を満たすベース基板１１としては、Ｓｉまたはダイヤモンドが挙げられる。ダイヤモンドを用いる場合は、高温高圧合成により形成された単結晶質である大径のダイヤモンドが存在しないことから、直径は小径にならざるを得ない。大径のダイヤモンドを得るには、多結晶質、焼結等のように本発明に係る構造体により得られるダイヤモンドとは異なるダイヤモンドを用いることができる。
なお、Ｉｒの熱膨張係数はダイヤモンドやＳｉの熱膨張係数よりやや大きいが、これによりダイヤモンドの品質に影響が出ることはないため、本発明ではダイヤモンドやＳｉを用いてもよい。一方、ＭｇＯおよびサファイアの熱膨張係数はダイヤモンドの熱膨張係数と比較して大き過ぎるため、ＭｇＯおよびサファイアとＩｒ薄膜において結晶構造および結晶方位に関連性がない場合であってもダイヤモンドの品質が劣化してしまう。
安価に製造するためには、ベース基板１１はＳｉであることが好ましい。
ベース基板１１の板厚は、ダイヤモンドを形成する際に用いる通常の厚さであればよく０．０１～１５ｍｍ程度でよい。直径の大きさは特に問わないが、０．５インチ以上が望ましい。
（３）Ｉｒ薄膜
本発明のＩｒ薄膜１２は、ベース基板１１上でエピタキシャル成長されたものではなく、後述するダミー基板で成膜したものをベース基板１１に転写したものである。このため、ＸＲＤ回折パターンのピーク角度は、ベース基板１１とＩｒ薄膜１２とでずれており、エピタキシャル成長により成膜された場合のように結晶構造および結晶方位に関連性がない。Ｉｒ薄膜１２とベース基板１１において結晶構造および結晶方位の関連性がないことは、Ｉｒ薄膜１２のＸ線回折パターンにおけるピークの角度が、ベース基板１１のＸ線回折パターンにおけるピークの角度とは異なることにより表される。
図２は、ベース基板２１にＩｒ薄膜２２が形成された構造体の模式図であり、図２（ａ）は、Ｉｒ薄膜２２がベース基板２１にヘテロエピタキシャル成長された構造体２０の模式図であり、図２（ｂ）は、Ｉｒ薄膜３２がベース基板３１に転写された構造体３０の模式図である。
図２（ａ）に示すように、ベース基板２１にヘテロエピタキシャル成長されたＩｒ薄膜２２は、ベース基板２１の結晶方位と同じ方位に成長する。また、Ｉｒ薄膜２２の結晶構造はベース基板２１に依存する。このため、ベース基板２１とＩｒ薄膜２２のＸＲＤ回折パターンは、同じピーク角度を示す。一方、図２（ｂ）に示すように、ベース基板３１に転写されたＩｒ薄膜３２はベース基板３１とは異なるダミー基板で成長したものであるため、転写されたＩｒ薄膜３２とベース基板３１とは異なる結晶構造および結晶方位になり、ＸＲＤ回折パターンのピーク角度がずれる。より具体的には、Ｉｒ薄膜３２のＸＲＤ回折パターンで計測されるすべてのピーク角度がベース基板３１のピーク角度からずれるのである。
ここで、Ｉｒ薄膜２２がベース基板２１にヘテロエピタキシャル成長された場合であってもピーク角度がずれることはある。この場合には所定のピークのみがずれることがあるものの、本発明に係る構造体のように計測されるすべてのピーク角度がずれるわけではない。本発明に係る構造体におけるピーク角度のずれは結晶構造および結晶方位のずれによるものであり、ヘテロエピタキシャル成長による欠陥に由来するピーク角度のずれと容易に識別することができる。
また、一部のヘテロエピタキシャル成長では、ピーク角度のずれがすべてのピークに一定に認められる場合がある。例えば、六方晶の基板に立方晶の膜が成膜された場合である。しかし、この場合のピーク角度のずれは格子定数から算出できる固有の値である。よって、本発明に係る構造体のようにすべてのピーク角度がランダムにずれることはない。
図１に示す本発明のＩｒ薄膜１２は、ベース基板１１によらずダイヤモンドを形成することができる品質を有する。Ｉｒ薄膜１２の品質を評価する指標の１つとしてＸＲＤで測定したロッキングカーブのデータを用いることができる。ＸＲＤロッキングカーブの半値幅が狭いほど面方位の揺らぎの度合いが少なく、ダイヤモンドヘテロエピタキシャル成長が可能となる。Ｉｒ薄膜１２のＸＲＤロッキングカーブにおける（００２）面の半値幅は７００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。
ここで、Ｉｒ薄膜の（００２）面のロッキングカーブに着目した理由は以下の通りである。本来、Ｉｒ薄膜は、主面が（００１）面のダイヤモンドを作成するために、（００１）方位が必要である。したがって、Ｉｒ薄膜の（００１）面が主面としてＩｒ薄膜に存在しているかを調べる必要がある。これをＸＲＤで実証する際は、（００２）面に限らず、Ｉｒ薄膜の（００１）面、（００３）面、（００４）面などを測定してもよい。ただ、実際にはこれらの全ての面に対して回折現象が得られるわけではない。Ｉｒの場合には、（００２）面や（００４）面で計測する。よって、本発明の好ましい態様では、（００２）面の半値幅に着目した結果、上記範囲内であれば、更に高品質のＩｒ薄膜が得られることが分かる。
（００２）面の半値幅は、より好ましくは６５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、さらに好ましくは５５０ａｒｃｓｅｃ以下である。下限は特に限定されないが、ＸＲＣ半値幅は小さい方が好ましく、ＸＲＤの線源により定まる固有の半値幅と同等であればよい。例えば、３０ａｒｃｓｅｃ以上であればよい。
本発明のＩｒ薄膜１２の膜厚は５μｍ以下であればよい。従来は、高品質のＩｒ薄膜１２を成膜するためには、ダイヤモンドとの熱膨張係数差が大きいダミー基板に厚いＩｒ薄膜を成膜せざるをえなかった。ダイヤモンドを成膜した後の冷却時に発生する反りが抑制されるためには、Ｉｒ薄膜は４００μｍ以上の膜厚が必要であるとされていた。しかし、本発明ではダイヤモンドとの熱膨張係数差が小さいベース基板１１を用いることができるため、Ｉｒ薄膜１２の膜厚が５μｍ以下であっても高品質のダイヤモンドを形成することができる。Ｉｒ薄膜１２の膜厚は、好ましくは５μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下であり、更に好ましくは０．５μｍ以下である。Ｉｒ薄膜１２の膜厚の下限は特に限定されないが、ダイヤモンドの種基材として機能する最低限の膜厚として、０．０００５μｍ以上であればよい。
また、本発明のＩｒ薄膜１２は、単結晶、多結晶のどちらであってもよい。
さらに、本発明のＩｒ薄膜１２は、後述のようにベース基板に転写された後にダミー基板を除去することにより転写されるため、表面が研磨面である。このため、表面粗さが極めて低く、高品質のダイヤモンドを成膜することができる。
２． 構造体の製造方法
本発明に係る構造体の製造方法は、上述した本発明に係る構造体を製造する方法である。図３は、本発明に係る構造体の製造方法の一例を示す工程図であり、図３（ａ）はダミー基板であるＭｇＯを示す斜視図であり、図３（ｂ）はＭｇＯにＩｒ薄膜を成膜した斜視図であり、図３（ｃ）はＩｒ薄膜が成膜されたＭｇＯをＳｉ基板に載置して接合した斜視図であり、図３（ｄ）は接合後にＭｇＯを研磨した後の構造体を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、ダミー基板がＭｇＯに限定されることはなく、また、ベース基板がＳｉに限定されることはなく、あくまで例示したものに過ぎない。図３を用いて詳述する。
（２－１）ダミー基板の選定
まず、高品質のＩｒ薄膜を成膜することができるダミー基板を用意する。ダミー基板としては、Ｉｒを成膜する際の加熱温度である７００℃程度で溶融しなければよく、７００℃以上の融点を有すればよい。上限は特に限定されないが、４０００℃程度であればよい。例えば、ＭｇＯ、またはサファイアが挙げられる。製造目的のダイヤモンドを安価に製造する観点から、好ましくはＭｇＯである。ダミー基板の表面粗さは、Ｉｒ薄膜がダイヤモンドの品質を劣化させない程度の品質になるように成膜することができる程度であればよい。算術平均粗さであるＲａが５ｎｍ以下であればよく、より好ましくは１ｎｍ以下であり、更に好ましくは０．５ｎｍ以下である。下限は特に限定されないが、０．０１ｎｍ以上であればよい。
（２－２）Ｉｒ薄膜の成膜
次に、ダミー基板にＩｒ薄膜を成膜する。Ｉｒ薄膜の成膜方法としては、スパッター法を用いた従来の方法で成膜すればよい。成膜時間の短縮や品質の安定性向上を図るため、本発明では、Ｄ．Ｃスパッター法や、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法などでヘテロエピタキシャル成長させてもよい。成膜条件としては、例えば、成膜温度が７００～１３００℃であり、雰囲気が１×１０－１～１×１０－５Ｔｏｒｒ程度のＡｒガスであればよい。
（２－３）ダミー基板の載置
成膜したＩｒ薄膜をベース基板に転写する。本発明では、まずは成膜されたＩｒ薄膜と事前に準備されたベース基板が接するように、ダミー基板をベース基板に載置する。また、ベース基板は、前述のダイヤモンド形成用構造体で説明したものと同様であるため、説明を省略する。
（２－４）Ｉｒ薄膜の接合
ベース基板にＩｒ薄膜を接合する。接合条件は、例えば、加熱温度が１００～３００℃であり、ダミー基板の加圧力は０．１～１０ＭＰａであり、加熱時間は１０～１２０分である。雰囲気は、０．１～１００Ｔｏｒｒ程度の真空でよい。
（２－５）ダミー基板の除去
最後に、ダミー基板であるＭｇＯを除去することによって、Ｓｉ上に高品質のＩｒ薄膜を形成することができる。ＭｇＯの除去方法は、研磨などで除去すればよい。ＸＲＤによりＭｇＯ由来のピークが計測されない程度にまで研磨することが好ましい。この場合、Ｉｒ薄膜もわずかに研磨されてしまうが、ダイヤモンドが成膜されるための膜厚が残存していればよい。
３． ダイヤモンドの成膜方法
本発明に係る構造体を用いた製造方法は、主としてＣＶＤによりＩｒ薄膜上にヘテロエピタキシャル成長させて成膜する。マイクロ波ＣＶＤ、直流プラズマＣＶＤのいずれであってもよい。成膜温度は、７００～１２００℃程度でよい。
このように、本発明に係るダイヤモンド形成用構造体は、ダイヤモンドとの熱膨張係数差が小さいベース基板上に高品質のＩｒ薄膜が設けられている。これは、従来から行われているベース基板にＩｒ薄膜をエピタキシャル成長させる工程ではなし得なかった構成である。このため、大径で高品質のダイヤモンドを製造することが可能になった。
また、本発明に係る構造体は、従来の場合とは異なり、ベース基板とＩｒ薄膜との間に中間層を介在させる必要がないため、本発明に係る構造体の製造方法では、製造時間を短縮するとともに安価にダイヤモンドを製造することができる。
以下では本発明を具体的に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、高品質のＩｒ薄膜を成膜することができる１０ｍｍ角のＭｇＯ基板を用意し、膜厚が４５０ｎｍのＩｒ薄膜を成膜した。成膜条件は、ターゲットがＩｒであるＤ．Ｃ．スパッター法を用い、Ａｒガスが３×１０－３Ｔｏｒｒであり、ＭｇＯの温度が１１００～１２００℃の範囲であり、表面粗さがＲａ＝０．４ｎｍであるＭｇＯを用いた第１条件、表面粗さがＲａ＝０．１ｎｍであるＭｇＯを用いた第２条件、の２条件で試料を作製した。成膜したＩｒ薄膜の品質を確認するため、パナリティカル社製のＸ’Ｐｅｒｔ－ＰＲＯ ＭＲＤシステム（ＣｕＫα線）を用いてＸＲＤロッキングカーブデータを測定した。
図４は、ＭｇＯ基板上に成膜したＩｒ薄膜のＸＲＤロッキングカーブを測定した結果を示す図を表し、図４（ａ）および図４（ｂ）は、各々異なる成膜条件で成膜したＩｒ薄膜の結果を示す図である。上記第１条件で成膜した結果が図４（ａ）であり、上記第２条件で成膜した結果が図４（ｂ）である。図４に示すように、各成膜条件において、ロッキングカーブにおける（００２）面の半値幅はいずれも７００ａｒｃｓｅｃ以下であった。このため、いずれのＩｒ薄膜も、高品質のダイヤモンドを形成することができると考えられる。
次に、Ｉｒ薄膜が成膜された各々のＭｇＯ基板を、予め用意しておいたＳｉ基板に、Ｉｒ薄膜がＳｉ基板に当接するように載置した。
その後、加熱温度が２５０℃であり、加熱時間が６０分であり、７．５Ｔｏｒｒである真空雰囲気でＩｒ薄膜とＳｉ基板とを接合した。この際、ＭｇＯには１ＭＰａの圧力を加えた。
最後に、ＭｇＯを研磨により除去して構造体を作製した。図５は、本発明に係る構造体の作製途中でのＸＲＤ回折パターンを示す図であり、図５（ａ）および図５（ｂ）はＭｇＯを研磨により除去している最中のＸＲＤ回折パターンを示す図であり、図５（ｃ）はＭｇＯの研磨が終了した後のＸＲＤ回折パターンを示す図である。図５の測定で用いた装置は図４の測定で用いたＸＲＤ回折装置と同じ装置を用い、θ／２θ法にて測定した。
図５（ａ）に示すように、研磨の当初では、ＭｇＯおよびＩｒに由来するピークに加えてＳｉに由来する弱いピークが得られた。さらに研磨を進めると、図５（ｂ）に示すように、ＭｇＯのピークが減少しつつ転写先のＳｉ基板のピーク強度の増加が認められた。そこで、微小研磨を実施すべく精密な制御を行い、膜厚が４５０ｎｍである極薄のＩｒ薄膜とＭｇＯ基板との接合界面付近へと研磨を進めた。その結果、図５（ｃ）に示すように、ＭｇＯに基づくピークが消滅しＳｉ基板のピーク強度が増加した。この際、Ｉｒ薄膜に基づく（００２）面のピーク強度も僅かに減少したが、そのピーク強度はダイヤモンドを作製するために必要十分なピーク強度である。
このようにして得られた構造体を構成するＩｒ薄膜およびＳｉ基板の各々についてＸＲＤ回折パターンを調べた結果、各々のすべてのピーク角度が規則性なくずれていることが確認された。このため、Ｉｒ薄膜とベース基板であるＳｉの結晶構造および結晶方位に関連性がないことが確認された。
このようにして得られた各々の構造体に、ＣＶＤによりダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた結果、いずれも欠陥がなく高品質の単結晶ダイヤモンドが得られた。
これに対し、前述の第２条件でＩｒ薄膜を成膜したＭｇＯに、ＣＶＤによりダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。図６は、Ｉｒ薄膜がＭｇＯ基板にヘテロエピタキシャル成長された構造体にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた場合における、ダイヤモンド、Ｉｒ、およびＭｇＯのＸＲＤ回折パターンを示す図である。図６において、Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ ｄｉａｍｏｎｄの回折面は（１１１）面であり、Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｉｒｉｄｉｕｍの回折面は（１１１）面であり、ＭｇＯ ｓｕｂｓｔｒａｔｅの回折面は（１１１）面である。図６の測定で用いた装置は図５で用いたＸＲＤ回折装置と同じ装置を用い、φスキャン法にて測定した。図６に示すように、これらはいずれも同じ角度にピークが存在することがわかった。また、得られたダイヤモンドに欠陥が存在することがわかった。クラックが入ったことも確認された。
上述と同様に、ダミー基板であるサファイアに成膜したＩｒ薄膜を、ベース基板であるＭｇＯに転写した構造体でも、各々のすべてのピーク角度が規則性なくずれていることが確認された。ただ、ＭｇＯの熱膨張係数はダイヤモンドの５倍を超えるため、この構造体にＣＶＤによりダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた結果、ダイヤモンドにクラックが入った。
１０、２０、３０ 構造体
１１、２１、３１ ベース基板
１２、２２、３２ Ｉｒ薄膜

Claims (6)

  1. ベース基板と、前記ベース基板上に形成されたＩｒ薄膜とで構成されるダイヤモンド形成用構造体であって、
    前記ベース基板の熱膨張係数は、前記ダイヤモンドの熱膨張係数の５倍以下であり、かつ前記ベース基板の融点が７００℃以上であり、
    前記Ｉｒ薄膜のＸ線回折パターンにおけるピークの角度は、前記ベース基板のＸ線回折パターンにおけるピークの角度とは異なることを特徴とするダイヤモンド形成用構造体。
  2. 前記Ｉｒ薄膜のロッキングカーブにおける（００２）面の半値幅が７００ａｒｃｓｅｃ以下である、請求項１に記載のダイヤモンド形成用構造体。
  3. 前記Ｉｒ薄膜の膜厚は１μｍ以下である、請求項１または２に記載のダイヤモンド形成用構造体。
  4. 前記ベース基板は、Ｓｉまたはダイヤモンドである、請求項１～３のいずれか１項に記載のダイヤモンド形成用構造体。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のダイヤモンド形成用構造体の製造方法であって、
    ７００℃以上の融点を有するダミー基板にＩｒ薄膜を成膜するＩｒ成膜工程と、
    前記Ｉｒ成膜工程により成膜されたＩｒ薄膜と、事前に用意したベース基板と、が接するように、前記Ｉｒ薄膜が成膜された前記ダミー基板を前記ベース基板に載置する載置工程と、
    前記載置工程の後に前記ベース基板と前記Ｉｒ薄膜とを接合する接合工程と、
    前記接合工程の後に前記ダミー基板を除去する除去工程と
    を備えることを特徴とするダイヤモンド形成用構造体の製造方法。
  6. 前記ダミー基板はＭｇＯまたはサファイアである、請求項５に記載のダイヤモンド形成用構造体の製造方法。
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